細胞是一片迂迴曲折的RNA分子海洋。科學家正努力拆解RNA結構的奧秘，並探究它們的重要性。
當Philip Bevilacqua決定對活體植物細胞內所有的RNA分子形態一探究竟的時候，他遇到了兩個難題。首先，自高中畢業後，他再也沒有觸碰過植物生物學。其次，雖然曾有生物學家試圖研究單個RNA分子；但應對成千上萬在細胞中游離的分子，顯然是更棘手的挑戰。
儘管遇到重重困難，作為賓夕法尼亞州立大學柏克校園（Pennsylvania State University in University Park）的一位RNA分子化學家，Bevilacqua並沒有放棄。RNA分子在細胞生物學中具有十分重要的調節作用，了解它們的結構，或許能為人類破解其工作機制提供更有利的線索。為此，他惡補了植物解剖學本科課程，並攜手植物分子生物學家Sarah Assmann研發一種能進行大規模RNA分析的技術。
2013年11月，Bevilacqua率領他的團隊率先描述了活細胞內數千種RNA形態，並向世人展示了擬南芥（Arabidopsis thaliana）細胞內一個真實的RNA世界。同年12月，來自加利福尼亞大學舊金山分校（the University of California， San Francisco）的研究小組利用類似技術報導了酵母和人類細胞的研究成果。北卡羅來納大學教堂山分校（the University of North Carolina at Chapel Hill， UNC）RNA分子生物學家Alain Laederach指出，這些研究在大規模RNA結構分析方面實現了空前的突破。
過去幾十年間，科學家對RNA分子的認識不斷深入。早期認為，RNA分子只是一堆像義大利麵的柔軟條狀分子，在DNA和蛋白質之間傳遞信息。現在，生物學家意識到：RNA不僅有助於蛋白質的合成，也是控制基因活性和修飾其它RNA的重要物質。至少85%的人類基因組被轉錄成RNA，而RNA分子各種各樣的作用，尚待進一步探尋。
此外，仍有一個關鍵的謎團沒有解開：RNA分子複雜多樣的結構。DNA具有可預測的雙螺旋結構，RNA與DNA不同，RNA是通過單鏈摺疊成環結（loops）、突起（bulges）、假結（pseudo-knots）、錘頭樣（hammerheads）以及髮夾（hairpins）等多種精巧的三維結構。這些結構通過不同的摺疊翻轉組成不同的功能區域。目前科學家對這些機制的了解非常少。酵母和人類RNA研究領軍人物——生物物理學家Jonathan Weissman指出，這正是RNA功能研究中缺失的環節。
最近幾年，科學家開始對RNA結構研究發起挑戰。Bevilacqua和Weissman等人成功研發出一項新技術，能對細胞內大量RNA結構執行快照。他們發現，活細胞內RNA摺疊方式與人工條件下的完全不同。這項研究成果幫助他們破譯一部分RNA摺疊規則，而這些摺疊規則有助於深化對人類變異或疾病的認識——甚至可以對農作物進行改良。
Laederach表示，RNA摺疊規則是生物進化中的基本問題，對它的深入研究有助於理解生物的進化歷程和這些小分子是如何影響我們的性狀及功能。作為一位生物學家，這讓他感到非常興奮。
北卡羅來納大學教堂山分校（UNC）化學生物學家Kevin Weeks對RNA結構進行了最好的詮釋——「RNA頑石」（「RNA rocks」）：在進化歷程中，其序列或結構很少發生變化。這些序列和結構包括轉運RNA和核糖體RNA（兩者均涉及蛋白質合成），以及具有酶活性的RNA，也稱為核酶。Weeks指出，在RNA世界中，也許這些穩定序列的RNA才是異類。
RNA的世界就如一片未被發現的、變幻莫測的沙漠。加州大學歐文分校（the University of California， Irvine）化學家Rober Spitale表示，我們對於大部分的RNA結構近乎一無所知。RNA分子典型的線性核苷酸鏈——或者鹼基——的形態僅僅存在於模板DNA轉錄的瞬間。轉錄完成後，RNA會通過自身核苷酸配對，迅速摺疊，進一步扭曲形成三維結構，與蛋白質或其它RNA組合，改變其形態執行不同的任務。
研究RNA結構的大部分技術都利用核苷酸相互結合的特點，或者對某些酶的敏感性：RNA自身配對的區域和保持線性單鏈的區域會表現出不同的反應。計算機模擬技術也有助於整體結構的模型建立。但這些方法都非常繁瑣，而且每次只能對一個分子的一部分進行分析。
五年前，加州史丹福大學（Stanford University in California）基因組學家Howard Chang聯合魏茨曼科學研究學院（the Weizmann Institute of Science in Rehovot， Israel）計算生物學家Eran Segal研發出一項新的技術——RNA結構平行分析技術（parallel analysis of RNA structure， PARS），促進了RNA結構研究的發展。PARS技術利用結構特異性核酸酶（一種可識別切除單鏈核苷酸的特異序列，另一種識別切除雙鏈或成對的RNA序列），對RNA分子群進行處理。科學家們對片段進行測序和建庫，通過分析對比，獲得RNA分子的結構。這項技術能夠對成百上千的核苷酸片段同時進行測序分析。
RNA結構規則
利用PARS技術，Chang和Segal首次對芽植釀酒酵母（bud-ding yeast Saccharomyces cerevisiae）中3000多個攜帶蛋白質合成指令的信使RNA（messenger RNAs， mRNAs）進行處理。他們發現一些前所未見的複雜的結構成分，還找到了指導RNA結構的第一條線索：相對於非翻譯區的側翼序列，與蛋白質合成相關的區域通常擁有更多鹼基對和更精細的結構。Chang認為，這些結構具有重要的生理意義，因為非翻譯區通常需要與調節蛋白相互作用，因此其結構應該更具有開放性和親和性。
繼此之後，於2014年，Chang和Segal對人類細胞mRNA進行了分析。研究生Yue Wan等人利用PARS技術對來自一家三口的血細胞系中20000多個mRNA進行分析，結果在蛋白非編碼區發現改變了RNA結構的大約1900個單核苷酸突變。現在要進一步探索的問題是：這些突變對RNA的功能是否造成影響，或者它們只是一些無足輕重的變化。
至少現在已經有一些證據顯示這些突變具有意義。2015年5月，Laederach等人報導，一種mRNA的非編碼區突變和一種罕見的眼部癌症視網膜母細胞癌有關。在健康人群中，這種mRNA同時具有三種結構，但在兩位患者的mRNA中，核苷酸突變迫使RNA分子摺疊成單一結構。Laederach認為，這種mRNA摺疊上的突變可能與某些疾病以及身高差異等人類特徵相關。
PARS技術存在的主要缺陷是所需的核酸內切酶不易穿過細胞膜，因此科學家必須從細胞內提取出RNA，這項操作將破壞其天然結構。理論上，鹼基配對能保證RNA分子在細胞內和細胞外有大致相同的性狀。但事實上，這種技術會破壞RNA結合蛋白，必將導致RNA結構的改變。
為研究活細胞內RNA結構，許多科學家將他們的關注點轉向硫酸二甲酯方法（DMS）。硫酸二甲酯能穿過細胞，在細胞內與未配對的RNA核苷酸——腺嘌呤和胞嘧啶反應。與硫酸二甲酯反應的RNA區域不能逆轉錄成DNA。科學家將所有RNA逆轉錄成DNA並經行序列分析，通過縮短的DNA序列確定未配對的RNA區域。
Weissman等人將該方法應用於分析酵母和人類細胞內完全互補的mRNA，對比活細胞內和提取後再摺疊狀態下RNA的區別。曾參與該項目，現就讀於麻薩諸塞州劍橋大學懷特黑德研究所（the Whitehead Institute in Cambridge， Massachusetts）的研究生Silvi Rouskin表示，研究初期真的令人十分興奮，我們無法想像在細胞內和細胞外mRNA的差別。
許多科學家主觀推測，在細胞內存在更多的處於摺疊狀態的RNA，因為互作蛋白能穩定RNA結構。但Weissman等人的研究結果正好相反。他們認為可能因為細胞內的mRNA可以積極地生產蛋白質，並且鬆散的分子結構更利於蛋白質合成。
Bevilacqua和Assmann利用DMS方法分析擬南芥細胞中的mRNA，意外獲得有趣的發現。在乾旱狀態下被激活的應激反應基因產生的mRNA在細胞內表現出更為鬆散的狀態，其摺疊程度遠低於計算機理論模型。相反，維持細胞穩定的「管家基因」產生的mRNA與計算機模擬結果非常接近。Bevilacqua等人認為，應激反應產生的mRNA具有鬆散結構有利於應對外界環境改變，更易改變結構從而調節蛋白質的合成水平。相對而言，管家基因RNA必須保持相對穩定的蛋白質產出水平。Assmann表示，看到這樣兩極分化的結果真是太神奇了。
但硫酸二甲酯技術仍存在缺陷：DMS只能確定RNA分子中的兩種配對的核苷酸，其餘部分只能依靠計算機模擬填充。為了彌補這一缺陷，獲得RNA中的每一序列，Chang和Spitale研發一項全面分析RNA二級結構的新技術——SHAPE（selective 2'-hydroxyl acylation and profiling experiment）。2015年年初，他們採用這項技術對老鼠胚胎幹細胞內19000多個RNA結構進行分析，並發表了研究成果。科學家發現一種能展開mRNA分子結構的常見的化學修飾，並探測了特異結構「信號區」（「signatures」），這些序列可預測控制RNA形狀的蛋白結合位點。
一些科學家已經琢磨著將這項技術應用於更多的研究。Assmann和Bevilaxqua正應用這項技術對大米——作為全球最重要的主食之一——進行RNA結構分析，並計劃對其它重要農作物開展類似研究。他們希望通過研究發現能巧妙地操控RNA結構的方法，以提高作物的抗逆性和最大產量。
與此同時，Rouskin正著手研究果蠅RNA結構對胚胎發育的影響。她表示，現在我們終於有方法和技術了，可以解答一些之前從不敢提出的問題。（生物谷Bioon.com）
原文檢索：
Elie Dolgin. (2015) A cellular puzzle： The weird and wonderful architecture of RNA. Nature， 523， 398–399.
吳玉婷/編譯